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Die Erfindung betrifft einen Bestrahlungstunnel gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bestrahlung von Behältern im Bestrahlungstunnel.
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Behälter werden in Abfüllanlagen zunehmend mittels UV-reaktiven Tinten direkt bedruckt. Für die anschließende Weiterverarbeitung der Behälter werden die fertigen aber noch nicht ausreichend ausgehärteten Druckbilder vorzugsweise mit breitbandiger UV-Strahlung im UVC, UVB und UVA nachbehandelt und die Tinten dadurch zügig und vollständig ausgehärtet. Hierfür kommen beispielsweise Quecksilberdampflampen in Frage.
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Die Lampen werden in einem Bestrahlungstunnel entlang eines Transportmittels in Transportrichtung hintereinander liegend angeordnet, um die Behälter seitlich zu bestrahlen und daran vorhandene UV-härtende Druckfarben (Tinten) auszuhärten. Die für die Aushärtung benötigten Bestrahlungsstärken verursachen jedoch eine erhebliche Erwärmung des Bestrahlungstunnels, der bisher durch Absaugung der im Bestrahlungstunnel vorhandenen Luft und Nachströmen kühlerer Umgebungsluft durch den Behältereingang und den Behälterausgang entgegengewirkt wurde. Eine derartige Luftkühlung im Inneren des Bestrahlungstunnels hat jedoch zwei grundlegende Nachteile.
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Zum Einen ist der Wärmeaustausch durch den Bereich praktikabler Volumenströme an den betroffenen Oberflächen so stark eingeschränkt, dass Lampen stets nur auf einer Seite des Transportmittels angeordnet werden können und auf der jeweils anderen Seite Kühlzonen ohne Lampen benötigt werden. Da eine beidseitige Bestrahlung der Behälter jedoch meist erforderlich ist, müssen entlang des Transportmittels wenigstens zwei Zonen mit jeweils einseitiger Bestrahlung und zugeordneten Kühlzonen hintereinander eingerichtet werden. Dies führt zu einer unerwünscht langgestreckten Bauform des Bestrahlungstunnels.
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Zum Anderen beruht die Luftkühlung auf dem Ansaugen vergleichsweise großer Raumluftmengen durch den Behältereingang und den Behälterausgang. Da sich die derart angesaugte Luft kaum filtern lässt, wird Staub mit der Raumluft in den Bestrahlungstunnel eingebracht. Dies verursacht eine unerwünschte Verschmutzung des Bestrahlungstunnels und gegebenenfalls auch der Behälter.
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Es besteht daher der Bedarf für demgegenüber verbesserte Bestrahlungstunnel und Verfahren zur Bestrahlung der Behälter und insbesondere zur Aushärtung von Druckfarben mit UV-Strahlung.
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Die gestellte Aufgabe wird mit einem Bestrahlungstunnel gemäß Anspruch 1 gelöst. Demnach umfasst der Bestrahlungstunnel ein Transportmittel für Behälter, entlang des Transportmittels angeordnete Lampen zur UV-Bestrahlung der Behälter und eine Kühleinrichtung zur Innenraumkühlung des Bestrahlungstunnels. Erfindungsgemäß umfasst die Kühleinrichtung flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper, die sich in Bestrahlungsbereiche der Lampen erstrecken.
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Die Kühlkörper werden von gegenüberliegenden Lampen zumindest teilweise bestrahlt.
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Die flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper ermöglichen eine kompaktere Bauweise des Bestrahlungstunnels, da sowohl die Kühlkörper als auch die Lampen unmittelbar nebeneinander und beidseitig des Transportmittels angeordnet werden können. Zudem wird Zuluft durch den Behältereingang und/oder den Behälterausgang des Bestrahlungstunnels entbehrlich. Somit kann eine Verschmutzung des Bestrahlungstunnels und der Behälter mit Staub aus der Umgebungsluft vermieden werden.
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Unter einer Innenraumkühlung des Bestrahlungstunnels ist zu verstehen, dass die Kühlkörper zum Abführen von Energie ausgebildet sind, die von den Lampen als Strahlungsenergie in den Bestrahlungstunnel eingebracht wurde und von dessen Innenwänden, Bauteilen und der im Inneren vorhandenen Luft aufgenommen wird.
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Demgegenüber spielt die Innenraumkühlung für die Kühlung der Lampen selbst keine oder nur eine untergeordnete Rolle. Die Kühlung der Lampen erfolgt über an sich bekannte Kühlsysteme, beispielsweise über separate Luft- oder Wasserkühlkreise für die einzelnen Lampen.
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Die Kühlkörper haben keine Bestrahlungsfunktion im Sinne einer Reflexion und/oder Streuung des UV-Lichts und/oder einer Abgabe von Wärmestrahlung nach Lichtabsorption. Stattdessen soll die daran absorbierte Lichtenergie und die über Konvektion aus der Innenraumluft aufgenommene Wärmeenergie möglichst umfassend an die durch die Kühlkörper fließende Kühlflüssigkeit übertragen werden.
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Die Bestrahlungsbereiche sind per Definition Bereiche, die von den Lampen direkt bestrahlt werden, gegebenenfalls auch nur intermittierend durch die Transportlücken zwischen den sich bewegenden Behältern.
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Vorzugsweise sind die Lampen beidseitig des Transportmittels angeordnet, und die Kühlkörper sind, quer zur Transportrichtung gesehen, wenigstens zwischen den Lampen, insbesondere um die Lampen herum, ausgebildet. Somit kann auch der Bereich der Lampen seitlich des Transportmittels für eine effektive Kühlung von Innenraumluft und für die Absorption von Strahlungsenergie verwendet werden. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Bestrahlungstunnel.
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Vorzugsweise sind ferner flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper über dem Transportmittel ausgebildet. Die Kühlkörper können dann im Wesentlichen in Form einer Decke des Bestrahlungstunnels ausgebildet sein, um Streustrahlung zu absorbieren und nach oben steigende Innenraumluft zu kühlen. Diese Kühlkörper befinden sich in der Regel außerhalb der Bestrahlungsbereiche.
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Die flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper können beispielsweise eine Gesamtfläche von wenigstens 0,5 m2 und insbesondere von wenigstens 1 m2 umfassen, wobei die Gesamtkühlfläche eine mit der Innenraumluft in Kontakt stehende Kühlfläche ist.
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Vorzugsweise umfassen die Kühlkörper Hohlplatten aus Metall, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung. Derartige Hohlplatten ermöglichen eine gleichermaßen mechanisch stabile Einfassung der Transportstrecke für die Behälter als auch einen effektiven Wärmeübergang an die Kühlflüssigkeit, die insbesondere Kühlwasser ist. Die Hohlplatten weisen Kühlkanäle auf, die sich zwischen Vorlauf und Rücklauf auf flexible Weise parallel und/oder seriell schalten lassen, um die Kühlleistung in einzelnen Bereichen des Bestrahlungstunnels zu optimieren. Aluminiumlegierungen eignen sich in besonderem Maße für die Herstellung von Hohlplatten und können beispielsweise auf einfache Weise eloxiert werden.
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Vorzugsweise sind die Kühlkörper UV-lichtabsorbierend beschichtet und/oder eloxiert, insbesondere mit einem mittleren Absorptionsgrad α von wenigstens 0,5 im Spektralbereich von 200 bis 450 nm. Dadurch lässt sich einfallende Strahlungsenergie effektiv aus dem Bestrahlungstunnel abführen und die Erwärmung von Innenraumluft folglich minimieren.
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Vorzugsweise umfasst der Bestrahlungstunnel ferner wenigstens einen Lüftungskanal zum Einblasen von Zuluft. Mit kontrollierter Zufuhr von Zuluft kann Konvektion im Bestrahlungstunnel erzwungen werden, um einen ständigen Wärmeaustausch von der Innenraumluft und den Kühlkörpern zu begünstigen. Über den Lüftungskanal lässt sich Zuluft mit einer geeigneten Qualität gezielt zuführen.
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Vorzugsweise ist das Transportmittel ein Förderband für den stehenden Transport der Behälter, und der Lüftungskanal mündet unterhalb des Förderbands in den Bestrahlungstunnel.
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Damit lässt sich ein ausreichender Luftaustausch auch im Bereich unterhalb des Förderbands sicherstellen.
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Vorzugsweise umfasst der Bestrahlungstunnel ferner ein den Lüftungskanal versorgendes Gebläse und eine Absaugung für Abluft aus dem Bestrahlungstunnel, wobei das Gebläse wenigstens zum vollständigen Ersatz der abgesaugten Abluft ausgelegt ist. Dadurch lässt sich vermeiden, dass zusätzlich Umgebungsluft durch den Behältereingang und/oder Behälterausgang des Bestrahlungstunnels angesaugt wird.
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Bei im Wesentlichen gleicher Menge Zuluft und Abluft oder bei geringfügig weniger Zuluft als Abluft, beispielsweise um höchstens 5% weniger, kann verhindert werden, dass durch die UV-Strahlung entstehendes Ozon aus dem Bestrahlungstunnel austritt.
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Demgegenüber könnte die eingeblasene Zuluft einen größeren Volumenstrom aufweisen als die abgesaugte Abluft, sodass überschüssige Zuluft durch den Behältereingang und/oder Behälterausgang nach außen strömt. Einen Eintrag von Staub aus der Umgebungsluft in den Bestrahlungstunnel lässt sich somit noch wirkungsvoller entgegenwirken.
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Vorzugsweise sind die Lampen separat gekühlte UV-Lampen zur Aushärtung UV-härtender Druckfarben (Tinten) auf den Behältern. Die Lampen haben somit eine für die Aushärtung der Druckfarben ausreichende Abstrahlleistung. Die UV-Lampen beaufschlagen den Innenraum des Bestrahlungstunnels aufgrund ihrer eigenständigen Kühlung nicht nennenswert mit elektrischer Verlustleistung.
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Die gestellte Aufgabe wird ebenso mit einer Direktdruckmaschine für Behälter gelöst, die Druckaggregate zum Aufdrucken von UV-härtender Druckfarbe (Tinte) auf die Behälter und einen stromabwärts der Druckaggregate zur UV-Aushärtung der Druckfarbe angeordneten Bestrahlungstunnel gemäß wenigstens einer der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst.
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Die gestellte Aufgabe wird ebenso mit einem Verfahren gemäß Anspruch 11 gelöst, bei dem Behälter im Bestrahlungstunnel gemäß wenigstens einer der voranstehend beschriebenen Ausführungsformen bestrahlt werden, wobei auf den Behältern vorhandene UV-härtende Druckfarbe (Tinte) in den Bestrahlungsbereichen der Lampen ausgehärtet wird.
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Vorzugsweise werden die Behälter dann in konstanter Drehlage durch den Bestrahlungstunnel transportiert, und die Lampen bestrahlen die Behälter dabei beidseitig und insbesondere vollumfänglich. UV-härtende Druckfarben (Tinten) können somit auf einer vergleichsweise kurzen Transportstrecke auf ein wenigstens für die weitere Verarbeitung und Handhabung geeignetes Ausmaß ausgehärtet werden.
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Vorzugsweise werden die Behälter dann in einem lichten Abstand zueinander transportiert, der mindestens doppelt so groß ist wie die größte Abmessung der Behälter in Transportrichtung. Dadurch kann schräg von den Lampen abgestrahlte Strahlung in ausreichendem Ausmaß auf Wandabschnitte fallen, die in (oder näherungsweise in) Transportrichtung oder entgegen ausgerichtet sind. Somit ist eine vollumfängliche Aushärtung UV-reaktiver Druckfarben (Tinten) oder dergleichen möglich.
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Vorzugsweise streicht Luft im Bestrahlungstunnel infolge insbesondere erzwungener Luftkonvektion an den Kühlkörpern entlang und gibt dabei Wärmeenergie an eine die Kühlkörper durchströmende Kühlflüssigkeit ab. Die Luftkonvektion lässt sich beispielsweise durch kontrollierte Zuluft und/oder die Transportbewegung der Behälter erzwingen. Die derart von den Kühlkörpern aufgenommene Wärmeenergie wird effektiv und kontrollierbar von der Kühlflüssigkeit abtransportiert.
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Vorzugsweise absorbieren die flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper Behandlungsstrahlung und insbesondere von den Lampen direkt einfallende Strahlung. Die Behandlungsstrahlung fällt beispielsweise durch die in Transportrichtung zwischen den Behältern vorhandenen Transportlücken auf die Kühlkörper. Die Kühlköper nehmen aber auch gerichtete und/oder diffuse Reflexionen auf, beispielsweise nach Reflexion an den Behältern. Die durch Lichtabsorption abgeführte Energie wird dem Bestrahlungstunnel direkt entzogen und kann somit nicht mehr zur Erwärmung der Innenraumluft im Bestrahlungstunnel beitragen. Dies führt zu einer besonders effizienten Innenraumkühlung des Bestrahlungstunnels.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Bestrahlungstunnels ist zeichnerisch dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht des Innenraums des Bestrahlungstunnels von oben durch die Schnittebene A-A der 2; und
- 2 eine schematische seitliche Ansicht durch die Schnittebene B-B der 1.
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Wie die 1 erkennen lässt umfasst der Bestrahlungstunnel 1 für Behälter 2 ein Gehäuse 1a und ein Transportmittel 3, das beispielsweise als Förderband für aufrecht stehende Behälter 2 ausgebildet ist. Zu beiden Seiten des Transportmittels 3 sind Lampen 4 zur UV-Bestrahlung UV-reaktiver Druckfarben (Tinten) 2a auf den Behältern 2 angeordnet.
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Die Lampen 4 können sowohl einander direkt gegenüberliegend angeordnet sein, als auch in Transportrichtung 3a überlappend oder ohne jeweils direkt gegenüberliegende Lampe 4. Letzteres ist in der 1 für eine eingangsseitige und eine ausgangsseitige Lampe 4 dargestellt. Die mittleren Lampen 4 sind einander direkt gegenüber angeordnet. Vor den Lampen 4 sind vorzugsweise überlappende Bestrahlungsbereiche 4a mit UV-Strahlung ausgebildet.
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Als Kühleinrichtung zur Innenraumkühlung des Bestrahlungstunnels 1 sind wenigstens bis in die Bestrahlungsbereiche 4a der Lampen 4 hineinreichende erste flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper 5 ausgebildet. Zum einen erstrecken sich die ersten Kühlkörper 5 seitenwandförmig zwischen den Lampen 4. Vorzugsweise sind die ersten Kühlkörper 5 auch oberhalb und unterhalb der Lampen 4 ausgebildet.
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Vorzugsweise sind ferner zweite flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper 6 in Form einer seitlichen Einfassung des Transportmittels 3 vorhanden. Auch diese Kühlkörper 6 können zumindest teilweise in den Bestrahlungsbereichen 4a der Lampen 4 liegen.
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Vorzugsweise ist wenigstens ein dritter flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper 7 in Form einer Zwischendecke oder dergleichen über dem Transportmittel 3 bzw. den Behältern 2 vorhanden.
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Wie die 2 in einer Ansicht quer zur Transportrichtung 3a erkennen lässt, rahmen die ersten Kühlkörper 5 die Lampen 4 vorzugsweise vollumfänglich ein. In den ersten Kühlkörpern 5 sind dann Ausnehmungen 5a für die Lampen 4 ausgebildet.
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Zu diesem Zweck können die ersten Kühlkörper 5 aus sich kreuzenden Säulen 5b und Längsholmen 5c segmentartig um die Ausnehmungen 5a zusammengesetzt sein, wie dies zur Veranschaulichung nur auf der rechten Seite der 1 dargestellt ist. Eine segmentartige Konstruktion wäre prinzipiell auch bei den zweiten und dritten Kühlkörpern 6, 7 denkbar.
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Die Kühlkörper 5-7 sind vorzugsweise doppelwandig, also beispielsweise als Hohlplatten 8 ausgebildet mit einer den Behältern 2 zugewandten Vorderseite 8a, einer den Behältern abgewandten Rückseite 8b und dazwischen ausgebildeten Verbindungsstegen 8c. Zwischen diesen wird eine Vielzahl von Kühlkanälen 8d bereitgestellt, die in beliebiger Weise seriell oder parallel verschaltet an einen Vorlauf 9a und einen Rücklauf 9b für Kühlflüssigkeit 9 angeschlossen werden können. Als Kühlflüssigkeit 9 eignet sich unter herkömmlichem Leitungsdruck bereitgestelltes Wasser.
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Wie 1 ferner erkennen lässt, sind die Lampen 4 separat gekühlt, beispielsweise mittels geschlossener Luftkühlkreise 10 (nur rechts schematisch angedeutet). Diese führen elektrisehe Verlustleistung der Lampen 4 ab und gegebenenfalls auch unmittelbar vor den Lampen 4 entstehendes Ozon oder dergleichen. Die ersten Kühlkörper 5 haben für die verlustbedingte Kühlung der Lampen 4 keine oder nur untergeordnete Bedeutung.
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Stattdessen dienen die Kühlkörper 5-7 der Innenraumkühlung des Bestrahlungstunnels 1 mittels insbesondere erzwungener Luftkonvektion 11 an den Kühlkörpern 5-7. Die Luftkonvektion 11 ist in der 2 beispielhaft durch Strömungspfeile angedeutet.
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In der 2 ist ferner ein Lüftungskanal 12 schematisch dargestellt, der den Bestrahlungstunnel 1 mit Hilfe eines Gebläses 13 mit Zuluft 14 versorgt. Zusätzlich ist eine Absaugung 15 für Abluft 16 aus dem Bestrahlungstunnel 1 vorhanden.
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Die Zuluft 14 erzwingt zumindest einen Teil der Luftkonvektion 11 im Bestrahlungstunnel 1, so dass ein ständiger Luftaustausch an den Kühlkörpern 5-7 gegeben ist. Die Kühlkörper 5-7 nehmen somit ständig Wärmeenergie von der an ihnen entlang strömenden Innenraumluft auf und geben diese an die Kühlflüssigkeit 9 ab. Somit wird dem Innenraum des Bestrahlungstunnels 1 im Arbeitsbetrieb kontinuierlich Wärmeenergie entzogen.
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Der Volumenstrom der Zuluft 14 ist mindestens so groß wie der Volumenstrom der Abluft 16, um ein Ansaugen von Umgebungsluft durch den Behältereingang 17 und/oder Behälterausgang 18 des Bestrahlungstunnels 1 zu vermeiden.
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Vorzugsweise ist der Volumenstrom der Zuluft 14 geringfügig kleiner als der Volumenstrom der Abluft 16, beispielsweise um höchstens 5%, sodass eine geringe Menge Luft durch den Behältereingang 17 und den Behälterausgang 18 in den Bestrahlungstunnel 1 nachströmt. Ein Eintrag von Staub aus der Umgebungsluft lässt sich dadurch zuverlässig vermeiden und gleichzeitig ein Austritt von Ozon aus dem Bestrahlungstunnel 1. Austretendes Ozon führt zu unangenehmen Gerüchen, auch wenn die Arbeitsplatzgrenzkonzentration noch nicht erreicht wird.
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Wie die 2 ferner verdeutlicht, mündet der Lüftungskanal 12 vorzugsweise unterhalb des Transportmittels 3 in den Bestrahlungstunnel 1. Somit ist auch im Bereich unterhalb des Transportmittels 3 ein ausreichender Luftaustausch für die Vermeidung von Wärmestaus gegeben.
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Auch mittels der Transportbewegung der Behälter 2 kann die Luftkonvektion 11 im Bestrahlungstunnel 1 in einem nennenswerten Ausmaß erzwungen werden. Dies ist besonders vorteilhaft, da sich die ersten und zweiten Kühlkörper 5, 6 bis in die Bestrahlungsbereiche 4a bzw. bis in unmittelbarere Nachbarschaft des Transportmittels 3 und der Behälter 2 erstrecken, so dass der Wärmeübergang dort durch die derart erzwungene Luftkonvektion 11 verbessert werden kann.
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In den 1 und 2 sind der Vollständigkeit halber ferner am Behältereingang 17 und am Behälterausgang 18 angeschlossene Sichtschutzschleusen 19 zur Abschirmung der von den Lampen 4 abgestrahlte UV-Strahlung dargestellt. In den Sichtschutzschleusen 19 ändert sich die Transportrichtung der Behälter 2 vorzugsweise derart, dass die UV-Strahlung nicht auf direktem Wege von den Lampen 4 nach außen dringen kann. Zu diesem Zweck können in den Sichtschutzschleusen 19 Strahlfallen 20 in Form absorbierender Lamellen oder dergleichen angeordnet sein. Die Sichtschutzschleusen 19 dienen dem Arbeitsschutz und insbesondere der Vermeidung unzulässiger Bestrahlungsstärken der UV-Strahlung außerhalb des Bestrahlungstunnels 1.
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Eine Kombination der beschriebenen Innenraumkühlung mit den Sichtschutzschleusen 19 ist auch deshalb besonders vorteilhaft, da für die Sichtschutzschleusen 19 benötigte Aufstellungsfläche durch die kompakte Anordnung der Lampen 4 und der flüssigkeitsgekühlten Kühlkörper 5-7 bereitgestellt werden kann.
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Somit eignet sich der Bestrahlungstunnel 1 auch für einen verbesserten Arbeitsschutz hinsichtlich der zulässigen Immission von UV-Strahlung.
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Wie die 2 ferner erkennen lässt, werden die Behälter 2 vorzugsweise in einem lichten Abstand 21 zueinander transportiert, der wenigstens doppelt so groß ist wie die größte Abmessung 22 der Behälter 2 in Transportrichtung 3a. Dadurch entstehen zwischen den Behältern 2 ausreichend große Lücken für schräg einfallende UV-Strahlung zur Bestrahlung der Behälter 2 in Seitenwandbereichen, die näherungsweise in Transportrichtung 3a oder entgegengesetzt dazu ausgerichtet sind. Somit ist eine vollumfängliche Härtung UV-reaktiver Druckfarben (Tinten) 2a auch bei feststehender Drehlage der Behälter 2 auf dem Transportmittel 3 möglich.
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Im Produktionsbetrieb werden die Behälter 2 kontinuierlich durch den Bestrahlungstunnel 1 gefördert, wobei die Lampen 4 vorzugsweise kontinuierlich, also im Dauerstrich-Verfahren, abstrahlen. Dabei durch die Lücken zwischen den Behältern 2 direkt auf die ersten und zweiten Kühlkörper 5, 6 einfallende UV-Strahlung kann dort je nach dem Absorptionsgrad α bereits weitgehend absorbiert werden, um den Energieeintrag in den Bestrahlungstunnel 1 zu minimieren. Dies gilt ebenso für an den Behältern 2 und/oder an Bauteilen im Bestrahlungstunnel 1 reflektierte Strahlung.
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Zusätzlich strömt die Innenraumluft durch insbesondere erzwungene Luftkonvektion 11 ständig an den flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpern 5-7 entlang und gibt dabei Wärmeenergie an diese ab. Hierbei lassen sich beispielsweise Vorlauftemperatur und Volumenstrom der Kühlflüssigkeit 9 auf bekannt einfache Weise an die aus dem Bestrahlungstunnel 1 abzuführende Abwärme anpassen.
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Der Bestrahlungstunnel 1 ist vorzugsweise ein Bestandteil einer Direktdruckmaschine (nicht dargestellt) mit an sich bekannten Druckaggregaten zum Aufdrucken der UV-härtenden Druckfarbe (Tinte) 2a auf die Behälter 2. Die UV-härtende Druckfarbe (Tinte) 2a kann dann unmittelbar anschließend im Bestrahlungstunnel 1 mit Hilfe der Lampen 4 für die weitere Verarbeitung / Handhabung der Behälter 2 vollständig ausgehärtet werden.
